lunes, 23 de junio de 2014

Sobre el Kevlar, en la muerte de Stephanie Kwolek

Durante el primer año de vida de este Blog (2006) escribí la friolera de más de 90 entradas o posts, algo que luego se ha ido decelerando, como es lógico en casi todos los Blogs. Esas primeras entradas las publicaba en una aplicación que Apple me proporcionaba por estar abonado a algo similar a lo que hoy se ha venido en llamar "nube" y que entonces no era de regaliz. Intuyo que casi nadie leyó esas entradas, excepto unos pocos amigos a los que comuniqué individualmente que dedicaba parte de mi tiempo a esta pérdida del idem. Despues me cerraron esa aplicación y tuve que ingeniármelas para aprender más sobre el blogging y sus armas, con las ventajas que ello tiene en cuanto a mayor difusión. Así que hace tiempo que vengo pensando en reeditar algunas de aquellas primeras entradas que siguen teniendo vigencia, aunque a todas les vendría bien una puesta al día. Y puestos a elegir, la muerte de Stephanie Kwolek la pasada semana me da pie a reconsiderar la entrada que escribí  en fecha tan lejana como el 28 de mayo de 2006. Estos días se están publicando muchas cosas  sobre ella, aunque la mayoría en inglés. Así que una versión en castellano no está mal. La entrada original seguirá ocupando el lugar que ocupaba en mi Blog, pero sin el texto inicial, que desaparecerá para siempre jamás en beneficio de lo que ahora podeis leer. Así que, allá vamos.

La fibra Kevlar es conocida hoy en día como sinónimo de un material de alta tecnología, incluso por mucha gente que no tiene ni idea de polímeros o plásticos. De hecho, la mayoría no conceptúa esas fibras como polímeros. Cinco veces más fuerte que el propio acero y más ligera que la fibra de vidrio, se usa en multitud de aplicaciones como ropa y guantes protectores contra el fuego, cascos superresistentes, pastillas de frenos especiales, elementos deportivos o cables de altísima tenacidad. Aunque quizás su empleo más conocido es el de los chalecos antibalas fabricados con ella. La relevancia en este campo es tal que en EEUU hay hasta un Club de supervivientes gracias al Kevlar (Kevlar Survivors Club), lo cual tampoco es extraño, dada la manía de los yankies por andar a tiros con todo hijo de vecino.

Cuando Stephanie Kwolek terminó sus estudios en el College femenino de la hoy Carnegie Mellon University, las cosas no habían estado muy claras para las mujeres en el pasado y en el ámbito de la Química, un negocio controlado casi en exclusiva por hombres. Sin embargo, estamos en los años de la postguerra (1946) y muchos americanos habían dedicado sus últimos años al ejército, por lo que no habían tenido tiempo para progresar en carreras universitarias. Así que había incipientes posibilidades para las mujeres y la Kwolek las supo aprovechar, consiguiendo un puesto de trabajo en las instalaciones que la DuPont tenía cerca de Nueva York.

La DuPont estaba en aquella época en plena actividad en torno a las fibras sintéticas que Carothers, el genio suicida (ver entrada), había desarrollado en los años precedentes. Así que a Stephanie la pusieron a explorar nuevos tipos de fibras. Algo más tarde, en torno a mediados de los sesenta, se produjo una creciente preocupación por la escasez de gasolina (algo que parece cíclico) y en el ámbito de la investigación se manejaron alternativas tecnológicas para reducir el consumo de la misma. Entre las posibilidades que manejó DuPont estaba la de conseguir fibras poliméricas que fueran tan resistentes como las metálicas empleadas para reforzar neumáticos. La idea era que, como todo material plástico, la densidad de esas fibras es varias veces menor a las de los metales, con lo que el peso total de los neumáticos se reduciría y, sobre todo en grandes camiones, el consumo también. Sin embargo, las cosas de la ciencia no van siempre al ritmo que uno quiere y, en este caso, el éxito final llegó cuando la preocupación por la gasolina casi había desaparecido.

La fibra Kevlar es una poliamida. En este sentido y como el nylon de Carothers, surge de una reacción química entre un diácido y una diamina que se unen uno a uno dando lugar a muchos grupos amida, de ahí el nombre. La diferencia fundamental entre la poliamida de Carothers y la de Kowlek es que la de ésta última parte de un diácido y una diamina ambos de carácter aromatico, es decir, conteniendo en su estructura el anillo de benceno. Aquellos que tengais una formación lejana a la Química seguro que decís: ¿Y?.

El carácter aromático de los dos componentes de la poliamida que hoy conocemos como Kevlar condiciona que sus propiedades no tengan nada que ver con las propiedades de las poliamidas no aromáticas como los Nylons de Carothers. Por ejemplo, para hacer fibras de Nylon basta con fundir el material a temperaturas cercanas a los 200 ºC y hacer salir ese fundido por una especie de multichurrera con agujeros muy pequeños. De cada agujero o espinerete saldrá continuamente una fibra. Las fibras de Kevlar no se hilan así sino desde una disolución del material de partida (la poliamida en este caso) en un disolvente. Pero el proceso de buscar el disolvente y las condiciones adecuadas fue tan largo en el caso del Kevlar que sólo la tenacidad de los investigadores de DuPont, y la confianza de la empresa en que lo que estaban persiguiendo podría tener aplicaciones de alto valor añadido, consiguió que el proceso se llevara a buen fín.

La poliamida Kevlar es lo que los químicos llamamos un polímero cristal líquido. Los cristales líquidos son materiales en un estado a caballo entre líquido y sólido. Eso complicó al principio la vida de la Kwolek y sus amigos de la foto, que no sabían de ese carácter de sus fibras. Por ejemplo, estos materiales son difíciles de disolver. Los científicos de la DuPont acabaron encontrando el disolvente ideal para sus fines, aunque no precisamente una perita en dulce: el acido sulfúrico 100% puro. Incluso los estudiantes más bisoños de Química saben que con el sulfúrico concentrado (el del laboratorio tiene entre un 2-4% de agua) hay que andarse con ojo, porque el accidente está a la vuelta de la esquina. Así que ¡qué será el sulfúrico 100% puro!..... Sorprendentemente, sin embargo, la ausencia de ese 2-4% de agua hace a ese ácido menos corrosivo y permite que las disoluciones en él de la poliamida puedan pasarse a través de los espineretes con cuidado pero sin excesivos riesgos de corrosión continua.

Pero (¡otro problema!) las disoluciones así preparadas, a ciertas concentraciones son turbias. Este hecho amargó a Stephanie los primeros tiempos del desarrollo del Kevlar. Los técnicos que tenían que procesar las disoluciones en las máquinas para obtener las fibras se negaban a ello, con el argumento lógico de que si aquello estaba turbio algo tenía en suspensión que, al pasar por el minúsculo agujero del espinerete, lo acabarían por cegar, y vete luego tú a limpiar una máquina llena de sulfúrico.

La Kwolek era pequeña (ver foto) pero corredora de fondo. La turbidez se pudo solucionar también cuando se fueron entendiendo las propiedades de los polímeros cristales líquidos en disolución. Ajustando adecuadamente la concentración y la temperatura del hilado, la disolución se hacía transparente y el técnico protestón calló para siempre.

¿De dónde nacen las extraordinarias propiedades de las fibras Kevlar?. Pues precisamente de ese carácter de cristal líquido. Las largas moléculas de la poliamida aromática, mientras son forzadas a pasar por el espinerete se alinean unas con otras de forma casi perfecta, como se alinean los spaghetti sólidos en un envase de supermercado, haciendo que sean extraordinariamente resistentes pues las diferentes cadenas están, además de ordenadas, unidas unas a otras por lo que los químicos llamamos enlaces de hidrógeno. El resultado es algo sumamente tenaz que la hace superior a metales o las fibras inorgánicas de vidrio.

¿Un poco duro para no iniciados?. Bueno, como decía Einstein, las cosas se pueden explicar tan fácil como sea posible.......pero no más, y vulgarizar lo que es un polímero cristal líquido y las razones de sus propiedades no es una obviedad. Lo que si queda claro despues de lo que os he contado, como bien me apuntaba esta mañana mi amigo Antxon Santamaría, es que las enciclopedias de polímeros deberían ir revisando aquello de "Man made fibers".

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domingo, 15 de junio de 2014

Una de golf

Hace tiempo que no escribo nada sobre el golf y la Ciencia que le rodea. Pero de hoy no pasa. Que mi amigo Marcelo, riojano de Préjano como seña de identidad publicable, me recriminaba ayer que no había cumplido mi promesa de escribir algo sobre unos palos de golf que andan en los mentideros desde hace más de tres años (al menos en USA). Parece que la gente consigue distancias sustancialmente mayores con ellos y que la causa que se aduce es que el interior de las cabezas que golpean las bolas, especialmente las de las maderas de salida en cada hoyo como la que veis en la foto, están rellenas de nitrógeno a una cierta presión. Así que, revisada la "bibliografía" correspondiente y la web de la empresa fabricante de estas maravillas, allí va la entrada prometida.

En esa web, y para reforzar el mensaje del nitrógeno, aparece un ciudadano que explica las bondades de ese gas en los neumáticos de coches de competición. Es una aplicación bastante antigua. Y no sólo en coches de Fórmula 1 y similares, sino que también es corriente rellenar con nitrógeno puro las ruedas de los aviones. Y ello a pesar de que, como sabéis, el aire que respiramos y con el que se inflan la mayoría de las ruedas del parque móvil global, está constituido en un 78% por el propio nitrógeno, además de un 21% de oxígeno y un 1% de otros gases, entre los que están el anhídrido carbónico y el vapor de agua. Así que, en principio, la disyuntiva es aire (nitrógeno al 78%) o nitrógeno al 100%.

Sin embargo, esa pequeña cantidad de agua en forma gaseosa a la que he hecho mención, es un incordio para los aviones que vuelan a gran altitud, a la que las temperaturas pueden ser tan bajas como -40 ºC. En esas condiciones, el agua en forma de vapor primero licúa y luego congela y el hielo así formado puede causar problemas de vibración y adecuado control de la estabilidad durante el aterrizaje. Para evitar esos efectos se usa el nitrógeno puro o, alternativamente, lo que en los laboratorios llamamos aire seco, es decir, aire al que se ha eliminado esa pequeña cantidad de agua. Por el contrario, en el mundo del motor, la eliminación del vapor de agua (y empleo de nitrógeno puro o aire seco) puede ayudar a reducir la temperatura que alcanzan los neumáticos en las condiciones extremas en las que se usan en competición. Se ha propuesto también inflar los neumáticos de los coches y camiones normales con nitrógeno, sobre la base de menor corrosión de las estructuras metálicas en el interior de los neumáticos y, sobre todo, porque el nitrógeno es una molécula más grande que escapa cuatro veces más dificilmente que el oxígeno a través del propio neumático, ralentizando el que éste se desinfle. Ahora bien, de cara a implantar esa solución en nuestros neumáticos corrientes, sale más cara "la salsa que los caracoles", como dicen en la Rioja de Marcelo.

Pero en la cabeza de un palo de golf la cosa es distinta. Las temperaturas a las que se manejan no dan como para que el vapor de agua se convierta en hielo y nos moleste durante la ejecución del golpe. Y el propio golpe no calienta esa cabeza (lo que es fácilmente comprobable) como para que haya sustanciales diferencias de comportamiento con las cabezas rellenas de aire normal. Así que, si el palo funciona mejor, debe ser porque los ingenieros de la marca en cuestión han conseguido un diseño superior al el de la competencia. De hecho, en una revisión que he visto en una conocida revista de golf americana, se atribuye una parte de la mejora a que la cara sobre la que impacta la bola es más delgada, lo que facilita el llamado efecto trampolín, que no es sino conseguir que esa superficie funcione como un resorte elástico en el momento del impacto. Eso es algo que los profesionales consiguen siempre por la mayor velocidad que imprimen a la cara del palo en el momento del impacto, pero que no parece ocurrir con un amateur medio y los palos existentes hasta la irrupción de los que estamos hablando.

Hoy en día es fácil comparar resultados de diferentes palos y, por tanto, obtener resultados bastante objetivos. Pero esas comparativas son muy complicadas de entender para el golfista medio por la terminología que en ellas se emplea y, en ese momento, es donde entra en acción lo que yo llamo marketing perverso que, en muchas ocasiones, utiliza jerga aparentemente científica para vendernos el producto. Y, en mi opinión, este es un caso más. En la web antes mencionada del fabricante de estas cabezas al nitrógeno, se responde a una pregunta genérica sobre ¿Por qué nitrógeno? con una serie de afirmaciones que vulneran principios bien establecidos de la Química y la Termodinámica. Así que, una de dos, o los ingenieros que han conseguido ese eficaz diseño ni huelen los documentos de los de marketing o (menos probable pero posible) sus conocimientos de Química y Termodinámica dejan bastante que desear.

Dicen en la web que usan nitrógeno porque el aire que respiramos tiene un 78% de nitrógeno y un 21% de oxígeno. ¿Y?. ¿Qué tiene que ver el culo con las témporas?. Intuyo que esta primera frase es un recurso a lo "verde", como habitualmente. Pero lo más grave es cuando aducen que usando nitrógeno puro hay menos fluctuaciones de presión en la cabeza que cuando está llena de aire normal y, además, que ese gas es menos sensible a cambios de presión y temperatura (lo cual viene a ser algo redundante con lo anterior). Habría que preguntar en primer lugar de qué cambios de esas variables (presión y temperatura) hablan porque, en las condiciones de juego de un día cualquiera, poco cambian una y otra. Y aunque cambiaran algo más apreciablemente, el nitrógeno puro y el aire cumplen ambos la ley de los gases ideales de forma bastante parecida, entre otras cosas por ese 78% de nitrógeno que contiene el pobre aire, así que sensibilidades las justas y parecidas. Y
lo de que el nitrógeno es una molécula más grande que el oxígeno del aire normal es cierto. Pero como no sea de cara a evitar que el gas se pierda con una relativa mayor facilidad a través de las juntas que sellan la cabeza del palo, en un proceso similar al desinflado de las ruedas, no se me ocurre ninguna otra ventaja.

Así que le voy a decir a Marcelo que si se quiere comprar uno de estos drivers que se lo compre, que ya le hace falta sustituir al que lleva en la bolsa que ya atesora excesiva "solera". Además, como tiene hija por las Américas, le puede salir muy barato al cambio. Y que compruebe si a él le funciona, sumándose así a los satisfechos usuarios que he encontrado en mi repaso de revistas de golf americanas. Pero que quede claro que, si eso ocurre, habrá que dar el mérito a los ingenieros y su diseño y no al nitrógeno ni a los que hacen marketing con él. Que el golf es un juego muy de sensaciones personales y, a veces, todo no funciona igual a todo el mundo. Y, aprovechándose de eso y de un cierto efecto placebo que también aquí existe, ya nos quisieron vender en el pasado brazaletes metálicos y pulseras PowerBalance, con efectos "milagrosos" en la calidad de nuestro swing. Y con acreditados profesionales haciendo publicidad de ello.

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viernes, 6 de junio de 2014

Surf y Guayule

Este pirao que podeis ver mejor ampliando la imagen de la izquierda con un click sobre ella es Ibón Amatriain, un surfista de referencia en el Basque Country y al que conozco desde niño. Hermano pequeño de una de mis cuñadas y tío del famoso futbolista Mikel Arteta, ha conseguido vivir de esto sobre la base de jugarse el pellejo en olas como la que se ve en la foto, tomada en la famosa Planeixa o Playa Gris, entre Getaria y Zumaia. Estos días debe andar en su salsa porque me he enterado de que hay un Festival de Cine en Donosti (Surfilm Festibal) que va a llenarse de surferos de las más variadas procedencias. Y mientras leía la noticia en el Diario Vasco, algo ha hecho saltar la alerta bloguera que siempre llevo encendida.

En un artículo destinado a dar realce al evento, una periodista del DV ha colocado un par de columnas laterales en las que se cantan alabanzas sobre un nuevo traje de surf fabricado con un nuevo tipo de caucho que (copio literalmente) "pronto, sueñan los surfistas, derrotará al neopreno petrolizado". Se trata de un caucho producido por la firma Yulex a partir de la semilla de una planta: el guayule, "un arbusto casi mágico originario del desierto de Chihuahua" (y copio otra vez). Con tamaño planteamiento y mi cultura polimérica, ya tenía yo mi entrada de hoy.

De cauchos el Búho sabe algo. El marmotreto de 160 páginas que presenté como Tesis Doctoral en 1979, redactado con una de las primeras IBMs eléctricas del mercado y abundante Tippex, trataba de las propiedades en disolución de diferentes tipos de cauchos comerciales. Y del guayule también he mamado cosas, porque mi Director de Tesis, un personaje al que fascinaban los polímeros de origen natural como el almidón, la celulosa, los propios cauchos o las proteínas, había tenido algo que ver con los intentos llevados a cabo en España para la implantación de este vegetal en las zonas áridas del centro y sureste español, de cara a su empleo en la incipiente industria del caucho española. Esas experiencias se quedaron en nada en fechas tan lejanas como 1967.

El llamado caucho natural es un polímero que los químicos llamamos cis-poliisopreno y que se puede extraer de diversos árboles y arbustos, entre los que destacan, en terminología botánica, el llamado Hevea Brasiliensis y el propio guayule o Phartenium argentatum. Sobre los cauchos naturales podeis leer una vieja entrada de este Blog del año 2006. Mediante sangrado de heridas realizadas en los troncos del primero o mediante trituración de las ramas y hojas del segundo se genera el llamado látex que,  tras una serie de procesos físicos y químicos que implican el uso de amoníaco y ácido fórmico, dan lugar a un material blandito (a veces ahumado) que puede ser usado en la fabricación de neumáticos de automóviles, guantes o condones, entre los usos más relevantes. En todos los casos, el caucho debe ser, además, vulcanizado, lo que se consigue mediante tratamientos con compuestos de azufre y calor. Si ese proceso no se llevara a cabo, estos productos no tendrían el carácter elástico que les es propio y, por tanto, no servirían de nada en las aplicaciones mencionadas.

Por tanto, desde el punto de vista del caucho a utilizar, ambas fuentes, Hevea y Guayule, producen el mismo polímero. Sin embargo, hay una sutil diferencia entre ambos cauchos que ha hecho reverdecer ultimamente el derivado del guayule. Y es que éste último no contiene restos de algunas proteínas que si contiene el fabricado con Hevea. Proteínas que son la causa de ciertas reacciones alérgicas que se producen en el uso prolongado de guantes y condones derivados de estos materiales. Pero ese reverdecer es todavía muy incipiente, como lo revelan el número de artículos científicos dedicados al poliisopreno derivado del guayule o el número de industrias dedicadas a su explotación. De hecho, creo que la mencionada Yulex es la única que ha apostado por el asunto, con una hábil utilización del marketing en un mundillo que mueve mucho dinero y que siempre ha estado ligado a modos de vida hippies o verdes.

Pero los químicos hace años que lograron sintetizar cis-poliisopreno en los laboratorios y en las empresas y, de hecho, hoy en día es el sintético el que más se usa en el ámbito del automóvil, aunque es cierto que el polisopreno natural tiene ciertas propiedades que el 100% sintético no tiene. E, igualmente, a finales de los años 20, el grupo de Wallace Carothers, en la DuPont, sintetizó el policloropreno o Neopreno, un primo del poliisopreno, en el que el grupo metilo de éste se sustituyó por un átomo de cloro. Muchos años avalan pues el uso de estos polímeros sintéticos en aplicaciones similares a los cauchos de origen natural.

Ya se que unos son naturales y otros artificiales. Pero conviene matizar que el que causa las alergias es un caucho de origen natural que tiene la debilidad de contener, además del polímero en cuestión, unas malvadas proteínas casualmente naturales. Y si, en esa moda que parece imponerse, no nos fijamos en los componentes como tales (el polisopreno es el mismo) sino en que uno ha sido mancillado por la mano del hombre y el otro lo ha producido un árbol, os recuerdo que uno y otro, para acabar siendo un guante o un traje de surf, tiene que sufrir variados procesos fisicos y químicos.

Una pena. Pero es así, por mucho que lo maquille la periodista de turno para que el Festival de Donosti quede más guay.

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Datos personales

Boredom is the highest mental state, según Einstein. Pero, a veces, aburrirse cansa. Y por eso ando en esto, persiguiendo quimiofóbicos.